CSAPP Cache 知识总结； Cache Lab Part A

本文主要是介绍CSAPP Cache 知识总结； Cache Lab Part A，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

CSAPP 高速缓存部分总结

1、程序的局部性
时间局部性：多次引用相同的内存位置
空间局部性：引用之前临近的内存位置
为什么cache能加速访问？——程序的局部性特征

3、缓存不命中种类：
（1）冷不命中：缓存为空时
（2）冲突不命中：访问的数据映射到同一个缓存块所导致
（3）容量不命中：缓存过小

Cache映射方式：

1、直接映射：
每个主存块映射到cache的固定行，优点是电路简单、缺点是可能冲突不命中，且cache空间没有充分利用。
（1）Cache结构：
n行，每行一个标记位，一个有效位(0 or 1)
标记位的作用是标记取自哪个块群（假设拿直接映射方式距离，0，4，8，12…会放到同一个cache行中，那么怎么区分？答案就是使用标记位）
（2）主存地址划分：
标记(和Cache对应行的标记做对比) + Cache行索引(Cache的哪一行) + 块内地址
（3）主存地址到cache的映射：
1、先根据行号找到对应的行
2、比较标记位，不符合的话从内存调
3、如果有效位为1，则命中

2、全相联映射：
有空就放
缺点：比较时间长，但空间利用率高
（1）Cache结构：
标记位 + 主存块
标记位的作用是标记主存块，因此位数多

3、组相联映射：
把Cache所有行分成几组(直接映射是整个Cache为一组)，是直接映射和组相联的结合
（1）主存地址划分：
还是 标记 + Cache组索引 + 块内地址
但Cache行索引位数少了，标记位数多了，判断是否命中方式和直接映射一样。

几个概念：
（1）命中率/缺失率：
（2）关联度：主存块映射到cache时，可能存放的位置个数
几种映射方式的关联度：
直接映射：1
全相联：Cache行数
N路组相联：N

关联度越高，标记位数越多

Cache替换算法：
情景：组相联映射，第0组目前装入第0块和第8块，现在主存第16块需要装入Cache，是驱逐第0块还是第8块？

1、LRU最近最少用 ： 特点是命中率随组的增大而提高
2、FIFO先进先出
3、LFU最不经常用
4、随机替换

LRU实现策略：
在cache的每行记录一个LRU位，如果命中，LRU位+1；
如果需要驱逐，则驱逐每组中LRU位最小的行

Cache一致性问题：
如果要写的单元在cache中存在，则有两种处理方法
（1）同时往cache和主存中写，需要加write buffer避免cpu等待内存
（2）write block，锁定内存，一次回写

Lab

lab分为两部分
（1）编写cache模拟程序
（2）优化矩阵转置

实验注意事项(来自实验指导书)：
（1）对cache的操作有三种 L：加载数据 S：
1、编写cache模拟程序

（1）getopt函数解析命令行
因为要在命令行输入cache的组索引位数(s)、关联度(E)、块索引(b)、轨迹文件，格式为：
./csim -s 1 -E 1 -b 1 -t traces/yi2.trace
因此需要对命令行进行解析，使用getopt函数。

按照说明，因为 s，E等后面都有参数，因此需要加冒号，解析代码为：

  while((c = getopt(argc,argv,"s:E:b:t:"))!= -1 ){switch(c){case 's':s = atoi(optarg);printf("%d\n",s);break;case 'E':E = atoi(optarg);printf("%d\n",E);break;case'b':b = atoi(optarg);printf("%d\n",b);break;case't':tracefile = optarg;printf("%s\n",tracefile);break;}}

（2）Cache组织结构
使用组相联方式组织cache，一个cache有多个组，每组有多个行。
每行有一个有效位，一个标记位，一块数据。
1、定义cache行结构：

typedef struct cache_line {char valid;mem_addr_t tag;unsigned long long int lru;
} cache_line_t;

2、使用指针定义组和cache，将每行的有效位，标记位，lru位都初始化为0

typedef Cache_line_t* cache_set_t; //用行定义组
cache_set_t* cache; //用组定义cache

（3）数据访问
1、获取标记和组索引：

 //获取标记Address tag = addr >> (s+b);/*获取组索引, 地址共64位, 组索引位于中间，需要做按位与运算将标记位置置0set_index_mask = (mem_addr_t) (pow(2, s) - 1);*/Address set_index = (addr >> b) & (set_index_mask);

2、判断是否命中（有效位为1 && 标记位一致），如果命中返回

for(int i = 0; i < E; i++){if(cache_set[i].tag==tag&&cache_set[i].valid){//命中hit_count ++ ;cache_set[i].lru = lru_counter ++;return ;}}  

3、如果没命中
（1）获得lru最小的一行

  miss_count++;for(i=0; i<E; i++){//eviction_lru = ULONG_MAX,初始将eviction_lru置为最大值，以便比较if (cache_set[i].lru < eviction_lru){eviction_line = i;eviction_lru = cache_set[i].lru;}}

（2）根据有效位，决定是否驱逐

    if( cache_set[eviction_line].valid ) eviction_count++;

（3）加载数据

  cache_set[eviction_line].valid = 1;cache_set[eviction_line].tag = tag;cache_set[eviction_line].lru = lru_counter++;

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